超導(dǎo)帶材損傷演化檢測(cè)技術(shù)獲得突破

如何有效檢測(cè)出材料損傷起源與裂紋演化，直接觀測(cè)和精確定位損傷部位，建立新的有效實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法，弄清其內(nèi)部損傷特征，是提升YBCO二代超導(dǎo)材料性能有效設(shè)計(jì)與性能評(píng)估的挑戰(zhàn)性研究課題。近日，以蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院教授周又和為主導(dǎo)的超導(dǎo)力學(xué)研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)5年的攻關(guān)研究，弄清了上述關(guān)鍵問(wèn)題，相關(guān)成果以《層狀高溫超導(dǎo)內(nèi)部損傷模式的檢測(cè)》為題發(fā)表在《自然-通訊》雜志上。YBCO二代高溫超導(dǎo)帶材(b)制備的典型超導(dǎo)磁體(a)和蘭州大學(xué)提出的極端加載環(huán)境下超導(dǎo)帶材原位磁光法損傷檢測(cè)的示意圖(c)YBCO二代高溫超導(dǎo)帶材因其具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度、高不可逆磁場(chǎng)和高載流能力，已成為國(guó)際學(xué)界高度關(guān)注并競(jìng)相開發(fā)應(yīng)用的一類高性能超導(dǎo)材料，我國(guó)上海、蘇州等地也將其列為高新技術(shù)材料進(jìn)行研制開發(fā)制備。由于YBCO二代高溫超導(dǎo)帶材是典型的層合材料，在極低溫、強(qiáng)電流和高磁場(chǎng)等極端使役環(huán)境下的力學(xué)變形不可避免地存在熱失配應(yīng)力和強(qiáng)電磁應(yīng)力等因素導(dǎo)致的材料損傷破壞行為，進(jìn)而制約著這類超導(dǎo)材料及其磁體性能的提升與穩(wěn)定運(yùn)行。在64mT和40K零場(chǎng)冷卻條件下應(yīng)變?cè)嚇泳植看磐S加載時(shí)間的變化周又和團(tuán)隊(duì)在前期研究中解決了磁光法在低溫冷屏介質(zhì)中的非均勻光照?qǐng)D像標(biāo)定等技術(shù)難題，提出了模擬極端使役環(huán)境條件下超導(dǎo)帶材的磁光與拉伸耦合的原位測(cè)量方法；實(shí)現(xiàn)了YBCO超導(dǎo)帶材在不同環(huán)境溫度、不同環(huán)境磁場(chǎng)下的高清晰度磁光圖像隨拉伸應(yīng)力的變化特征，即隨著應(yīng)變值的升高，超導(dǎo)帶材的磁光測(cè)量圖像從穿透起源及其發(fā)展的全過(guò)程演化，這一演化過(guò)程為認(rèn)知超導(dǎo)帶材內(nèi)部損傷與裂紋擴(kuò)展的定量研究提供了基本的關(guān)聯(lián)信息特征。局部微觀層面的MO圖像和SEM圖像具有拉伸損傷和人工裂紋的樣品之間的磁場(chǎng)響應(yīng)比較基于這一特征，團(tuán)隊(duì)提出了對(duì)磁通運(yùn)動(dòng)與損傷機(jī)制認(rèn)知研究的新途徑，發(fā)現(xiàn)了一種點(diǎn)狀磁通運(yùn)動(dòng)的新模式及其運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度的變化特征，即隨著環(huán)境溫度從40K升高到60K和77K，運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度從30ms增加至60ms和100ms；隨著應(yīng)變的增大，磁通運(yùn)動(dòng)由點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)變化為紡錘狀的穿透模式，其速度分布具有多級(jí)特征，位于（6μm/s，1059.3μm/s）區(qū)間；通過(guò)對(duì)穿透面積的統(tǒng)計(jì)分析，得到了這種應(yīng)變驅(qū)動(dòng)的磁通運(yùn)動(dòng)模式具有自組織臨界態(tài)（SOC）特征，其特征參數(shù)為-1.43±0.27；提出了磁光穿透圖像與內(nèi)部損傷關(guān)聯(lián)的研究途徑。即將實(shí)驗(yàn)樣品采用逐層化學(xué)腐蝕處理，由磁光圖像定位出穿透位置處的SEM掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由此得到了帶材內(nèi)部損傷與裂紋擴(kuò)展的特征規(guī)律。應(yīng)變?yōu)?.75%后蝕刻樣品的SEM圖像團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)YBCO二代超導(dǎo)材料在使役環(huán)境下材料損傷的磁場(chǎng)敏感性，即穿透深度遠(yuǎn)大于貫穿裂紋，進(jìn)而揭示出這種損傷模式完全不同于傳統(tǒng)推測(cè)的貫穿裂紋破壞模式。其次，通過(guò)逐層腐蝕和SEM掃描，還發(fā)現(xiàn)了這種YBCO二代帶材從基底向上傳播的新破壞模式，且損傷尖端存在一種非晶化現(xiàn)象。拉伸應(yīng)變期間損傷形成過(guò)程示意圖a